Глаза - "обыкновенное" чудо природы

Глаза – «обыкновенное» чудо природы.

План работы:

1. Вступление. Значение зрения.
2. Строение глаза и функции его составляющих.
3. Как мы видим?
4. Свойства  и особенности зрения.
5. Недостатки зрения.
6. Интересные  факты о  зрении человека.

1. Вступление. Значение зрения.

        Мы живем с вами среди прекрасных красок, звуков и запахов. Но способность видеть больше всего влияет на наше восприятие мира. На эту особенность обратили внимание еще ученые древности.

Зрение - одна из важнейших функций нашего организма. Удивительный механизм – наши глаза! Именно благодаря глазам мы с вами получаем 95% информации об окружающем нас мире, что позволяет нам познавать окружающий мир, наслаждаться его красотой, а также обеспечивать свою безопасность. Глаза, по подсчетам знаменитого физиолога  И.М. Сеченова, дают человеку до тысячи ощущений в минуту.

Издревле на Руси самым страшным наказанием считалось ослепление. Великим зодчим, архитекторам замечательного храма Василия Блаженного – Барме и Постнику печально известный своей аномальной жестокостью царь Иван Грозный приказал выколоть глаза, дабы нигде и никогда не могли они повторить такую красоту…

“Береги как зеница око”, – говорят о самом дорогом.

2. Строение глаза и функции его составляющих

«Ни одна созданная человеком видеокамера, ни искусственное устройство, ни компьютеризированное светочувствительное приспособление, не могут сравниться со сложностью и изобретательностью человеческого глаза» А. Гиллен

О том, что глаз – это оптический прибор, впервые заявил Иоганн Кеплер. Именно И. Кеплер предложил основы физиологической оптики, позволившей ответить на первый принципиальный вопрос: как формируется изображение предметов внешнего мира на сетчатке глаза. Глаз имеет сложное строение. 

Глазное яблоко имеет форму не вполне правильного шара диаметром 24мм у взрослого и 16мм у новорожденного. Объектив нашего глаза, как и фотоаппарата - составной. Одна его часть – плотная прозрачная выпуклая роговица толщиной примерно полмиллиметра. Ее центр образует так называемый передний полюс глаза. Вместе с белой непрозрачной склерой, составляющей 5/6 наружной оболочки, они обеспечивают глазу сохранение формы и оберегают его “нутро” от различных внешних вредных воздействий. Другая часть нашего объектива – двояковыпуклая линза – хрусталик. Он способен с помощью цилиарных мышц изменять свою кривизну,  другими словами – наводить фокус, автоматически устанавливая резкое изображение того предмета, который привлек наше внимание. Хрусталик выполняет и еще одну функцию – светофильтра: не пропускает опасные для светочувствительной оболочки ультрафиолетовые лучи и потому имеет несколько желтоватый оттенок. Роль диафрагмы в нашей биологической машине выполняет расположенное перед хрусталиком небольшое отверстие в радужной оболочке глаза – зрачок, который автоматически, в зависимости от яркости света, может сжиматься или расширяться от 2-х до 8-ми миллиметров в диаметре. Радужка окрашена в тот или иной цвет (голубой, серый, коричневый и т.д.), который зависит от количества красящего пигмента-меланина. Людей, не имеющих меланина, называют альбиносами. Роль затвора в нашей “фотокамере” выполняет пигментный эпителий, находящийся в сосудистом тракте - средней оболочке. Назначение сосудов этой оболочки - питать внутренние среды глаза. Но самое главное и самое, пожалуй, сложное – сетчатка - светочувствительная пленка нашего биологического фотоаппарата. Она состоит из 135 миллионов светочувствительных клеток, может работать и на абсолютном пороге чувствительности - генерировать зрительный сигнал в ответ на поглощение одного единственного (!) кванта света; и воспринимать колоссальную освещенность, равную миллионам люксам. 

Более 95 процентов этих светочуствительных клеток — палочки, они позволяют нам видеть в сумеречном свете. Остальные клетки называются колбочками, они функционируют при ярком свете и обеспечивают цветовое зрение.

Защиту глаза обеспечивают также веки - верхнее и нижнее - и ресницы. В толще век находятся слезные железы. Жидкость, которую они выделяют, постоянно увлажняет слизистую оболочку глаза.

Под веками находится 3 пары мышц, которые обеспечивают подвижность глазного яблока. Одна пара поворачивает глаз влево и вправо, другая - вверх и вниз, а третья вращает его относительно оптической оси.

Мышцы обеспечивают не только повороты глазного яблока, но и изменение его формы. Дело в том, что глаз в целом тоже принимает участие в фокусировке изображения. Если фокус находится за пределами сетчатки, глаз немного вытягивается, чтобы видеть вблизи. И наоборот, округляется, когда человек рассматривает далёкие предметы.

Рис. 1

3. Из школьной физики мы знаем, что луч света, переходя из одной среды в другую, меняет свое направление - преломляется (рефракция). Так что параллельные лучи света, пройдя сквозь роговицу, преломляются ею. После этого лучи света минуют радужную оболочку сквозь отверстие в ее центре — зрачок. Потом лучи  движутся через переднюю камеру (пространство, заполненное водянистой влагой), подходят к хрусталику суженным потоком, он их еще больше преломляет, заставляя все больше сближаться. Эластичная линза хрусталика заканчивает фокусировку световых лучей, начатую роговицей. Затем лучи идут сквозь стекловидное тело – совершенно прозрачное студенистое образование, наполняющее всю заднюю (за хрусталиком) полость глаза, и уже на сетчатке – внутренней оболочке глаза – собираются в одну точку – фокус. После контакта с фотонами света нервные клетки сетчатки посылают импульсы в головной мозг по зрительному нерву. Зрительный нерв — это своеобразный запасной выход глаза. Поступившие импульсы интерпретируются головным мозгом, и из двух изображений формируется одна картина наблюдаемого предмета. Мозг управляет всем актом зрения – координирует движения глаз, фокусирует хрусталики, приводит в действие “диафрагму”, настраивает ” дальномер”, а когда это вызывается обстоятельствами, полностью прекращает процесс видения, закрывая веки.

Изображение, полученное на сетчатке глаза, согласно законам оптики является действительным, перевернутым, уменьшенным. Но вы видим мир не перевернутым, потому что в зрительном центре мозга происходит анализ полученной информации с учетом этой "поправки".

*А вот новорожденные видят мир перевёрнутым примерно до трех недель. К трём неделям мозг обучается переворачивать увиденное.

Известен такой интересный эксперимент, автор которого - Джордж М. Стрэттон из Калифорнийского университета. Если человеку надеть очки, которые переворачивают зрительный мир вверх ногами, то в первые дни у него происходит совершенная дезориентация в пространстве. Но уже через неделю человек привыкает к "перевернутому" миру вокруг него, и даже все меньше осознает, что окружающий мир перевернут; у него формируются новые зрительно-двигательные координации. Если после этого снять очки-перевертыши, то у человека снова происходит нарушение ориентации в пространстве, которое вскоре проходит. Этот эксперимент демонстрирует гибкость работы зрительного аппарата и мозга в целом.

4. Свойства и особенности зрения человека.

    1. Аккомодация

Аккомодация - способность глаза приспосабливаться к видению как на близком, так и на далеком расстоянии, за счет изменения кривизны (а значит и оптической силы) хрусталика.

Работа глаза должна соответствовать ежедневным потребностям человека. В основе этой способности как раз и лежит аккомодация. За счет аккомодации имеется возможность качественно видеть объекты, расположенные на дальнем расстоянии, среднем и ближнем.

Объясняется аккомодация изменением формы хрусталика. Когда человек смотрит вдаль, то цилиарная мышца находится в состоянии расслабления, при этом циннова связка находятся в состоянии напряжения, натягивая капсулу хрусталика. Именно вытянутая форма хрусталика уменьшает преломляющую силу глаза и позволяет световым лучам фокусироваться точно на сетчатке, обеспечивая хорошее зрение вдаль.

Когда аккомодация начинает работать, происходит напряжение цилиарной мышцы, в результате чего, циннова связка, наоборот, расслабляется и хрусталик за счет своей эластичности принимает более выпуклую форму. Таким образом, создаются условия для фокусировки на сетчатке изображений объектов, находящихся на близком расстоянии.

Предел аккомодации – 10 см от глаза.
Расстояние наилучшего видения  (без напряжения)   для нормального глаза – 25см.

2. Адаптация.

Адаптация - это рефлекторное приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности. Обеспечивается  изменением диаметра отверстия зрачка, перемещением черного пигмента в слоях сетчатки, различной реакцией палочек и колбочек. Зрачок может изменяться в диаметре от 2 до 8 мм, при этом его площадь и, соответственно, световой поток изменяются в 16 раз. Сокращение зрачка происходит за 5 секунд, а его полное расширение - за 5 минут.

    3. Острота зрения.

Наиболее важным элементом зрительной функции является форменное (центральное) зрение, характеризующееся способностью различать форму, детали и др. Форменное зрение обеспечивается за счет небольшого участка сетчатой оболочки, носящего название центральной ямки желтого пятна. Плотность зрительных клеток (палочек и колбочек) в этом месте наибольшая, поэтому здесь наивысшая острота зрения.

 Говоря об остроте зрения, мы имеем в виду остроту центрального зрения. Острота зрения характеризуется минимальным углом, под которым глаз способен различать две точки раздельно. Для большинства глаз пороговый угол зрения составляет угол величиной в 1ґ. На этом принципе построены таблицы для определения остроты зрения, состоящие из 12 рядов букв или знаков. Детали самых крупных букв видны под углом в 1ґ с расстояния 50 м, а детали самых мелких – с расстояния 2,5 м.

Острота зрения определяется по формуле:

V = d/D,

где V – острота зрения, d – расстояние от исследуемого до таблицы (обычно это расстояние равно 5 м), D – расстояние, с которого детали букв данной строчки различимы под углом в 1ґ. Если обследуемый с 5 м читает только первую строчку, то его зрение составляет 0,1. Человек с нормальным зрением различает детали букв с расстояния 50 м. Нормальная острота зрения у большинства людей 1,0, т, е. при такой остроте зрения с расстояния 5 м свободно различаются буквенные изображения 10-го ряда.  

4. Инерционность.

Инерция зрения — это явление, в котором на сегодняшний день много загадок и неясностей, несмотря на его видимую простоту и довольно активное практическое использование (например, в кинематографе). При зрительном восприятии легко заметить, что прекращение какого-либо зрительного воздействия, или его начало сопряжены с некоторым отставанием нашего зрительного восприятия по времени.  Предмет физически уже перед нами, а его отображение в нашем сознании ещё только собирается. Это несколько напоминает собой физическое явление инерции, когда тело не может мгновенно приобретать скорость и не может мгновенно останавливаться. С прекращением раздражения зрительное впечатление исчезает не сразу, оно продолжается приблизительно 0,1 сек, поэтому световые раздражения с перерывами не свыше 0,1 сек дают сливающееся единое впечатление.

Инерционность зрения характеризуется средним временем сохранения светового ощущения примерно 0.05 с. На инерционности зрения основано кино. Как хорошо известно, при демонстрации фильма на экране с определенной частотой меняются изображения, однако ощущение человека при этом непрерывно. А если меняется расположение деталей в кадре (на определенные угловые размеры), то это приводит к возникновению ощущения движения этих деталей.

    5. Цветоощущение.

Цветовое зрение — это цветное зрение, способность глаза человека различать цвета, т. е. ощущать отличия в спектральном составе видимых излучений и в окраске предметов. Видимая часть спектра включает излучения с разной длиной волны, воспринимаемые глазом в виде различных цветов. Цветоощущение реализуется в пределах длин волн от 0.38 мкм (фиолетовый) до 0.76 мкм (красный). Наиболее чувствителен глаз к излучению с длиной волны 0,555 мкм (зеленая часть спектра)

Цветовое зрение обусловлено совместной работой нескольких фоторецепторов  (колбочкам) сетчатки разных типов, отличающихся спектральной чувствительностью. Фоторецепторы преобразуют энергию излучения в физиологическое возбуждение, которое воспринимается нервной системой как различные цвета, т.к. излучения возбуждают приёмники в неодинаковой степени. Спектральная чувствительность фоторецепторов разного типа различна и определяется спектром поглощения зрительных пигментов.  Основы современных представлений о цветовом зрении человека разработаны в 19 веке английским физиком Т. Юнгом и немецким учёным Г. Гельмгольцем в виде трёхкомпонентной, или трихроматической, теории цветовосприятия. Согласно этой теории, в сетчатке глаза человека имеются три типа фоторецепторов чувствительных в разной степени к красному, зелёному и синему свету. Сравнивая эффективность поглощения света разной длины волны колбочками разного типа, зрительная система осуществляет различение цветов.

6. Бинокулярное зрение. 

Бинокулярное зрение - это сложный процесс, осуществляемый совместной работой обоих глаз, глазодвигательных мышц, зрительных путей и коры головного мозга. Благодаря бинокулярному зрению обеспечивается стереоскопическое (объемное) восприятие объектов и точное определение их взаимного расположения в трехмерном пространстве. Правая сторона сетчатки каждого глаза передает через зрительный нерв "правую часть" изображения в правую сторону головного мозга, аналогично действует левая сторона сетчатки. Затем две части изображения - правую и левую - головной мозг соединяет воедино.

        Объемное восприятие окружающего позволяет измерять расстояние на         глаз – чем больше угол между лучами, идущими в правый и левый         зрачки, тем предмет ближе.

        Предельное расстояние, на котором человек еще может различать         предметы в пространстве по глубине, составляет около 500 м.

        Бинокулярное зрение формируется в течение нескольких первых месяцев         жизни. При рождении оно отсутствует. Стереозрение появляется в         возрасте от 2 до 6 месяцев.

        Хорошее бинокулярное зрение необходимо для людей многих профессий,         связанных с точной координацией движений в пространстве, - водителей         различных видов транспорта, хирургов, стоматологов, спортсменов и др.

5. Недостатки зрения. Дальнозоркость и близорукость

Благодаря аккомодации изображение рассматриваемых предметов получается как раз на сетчатке глаза. Это выполняется, если глаз нормальный.

Глаз называется нормальным, если он в ненапряженном состоянии собирает параллельные лучи в точке, лежащей на сетчатке. Наиболее распространены два недостатка глаза - близорукость и дальнозоркость.

Близоруким называется такой глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит внутри глаза. Близорукость может быть обусловлена большим удалением сетчатки от хрусталика по сравнению с нормальным глазом. Если предмет расположен на расстоянии 25 см от близорукого глаза, то изображение предмета получится не на сетчатке, а ближе к хрусталику, впереди сетчатки. Чтобы изображение оказалось на сетчатке, нужно приблизить предмет к глазу. Поэтому у близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см.

Дальнозорким называется глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит за сетчаткой. Дальнозоркость может быть обусловлена тем, что сетчатка расположена ближе к хрусталику по сравнению с нормальным глазом. Изображение предмета получается за сетчаткой такого глаза. Если предмет удалить от глаза, то изображение попадёт на сетчатку, отсюда и название этого недостатка - дальнозоркость.

Разница в расположении сетчатки даже в пределах одного миллиметра уже может приводить к заметной близорукости или дальнозоркости.

Люди, имевшие в молодости нормальное зрение, в пожилом возрасте становятся дальнозоркими. Это объясняется тем, что мышцы, сжимающие хрусталик, ослабевают, и способность к аккомодации уменьшается. Происходит это и из-за уплотнения хрусталика, теряющего способность сжиматься.

Близорукость и дальнозоркость устраняются применением линз. Изобретение очков явилось великим благом для людей, имеющих недостатки зрения.

Какие же линзы следует применять для устранения этих недостатков зрения?

У близорукого глаза изображение получается внутри глаза впереди сетчатки. Чтобы оно передвинулось на сетчатку, нужно уменьшить оптическую силу преломляющей системы глаза. Для этого применяют рассеивающую линзу.

Оптическую силу системы дальнозоркого глаза нужно, наоборот, усилить, чтобы изображение попало на сетчатку. Для этого используют собирающую линзу.

Астигматизм.

Причиной астигматизма является неравномерная кривизна роговой оболочки или хрусталика. У людей с подобным дефектом преломляющего аппарата глаза лучи света не собираются в единый фокус на сетчатой оболочке, и потому получаются искаженные изображения предметов.

Этот недостаток зрения компенсируется в той или иной степени очками со специальными цилиндрическими стеклами или контактными линзами.

Нарушение цветового зрения.

Дальтони́зм, цветовая слепота — наследственная, реже приобретённая особенность зрения человека и приматов, выражающаяся в неспособности различать один или несколько цветов. Этот недостаток зрения назван в честь Джона Дальтона, который впервые описал один из видов цветовой слепоты на основании собственных ощущений. Существуют методы корректировки цветовосприятия с помощью специальных линз.

 6.        Интересные  факты о зрении человека.

Интересно, что …

1. Известно, что И. Е. Репин, будучи в преклонном возрасте, пытался исправить свою картину «Иван Грозный и сын его Иван 16 ноября 1581 года». Однако окружающие обнаружили, что из-за нарушения цветового зрения Репин сильно исказил цветовую гамму собственной картины, и работу пришлось прервать.
2. У ювелиров настолько велика острота зрения, что нанесенные ими на металл детали рисунка можно различить лишь при помощи лупы с увеличением в 5 – 6 раз. Такую остроту зрения нередко имеют жители степей и пустынь.
3. Если принять остроту зрения орла за 100%, то обычное зрение человека составляет всего 52% от орлиного зрения.
4. Благодаря огромному количеству светочувствительных клеток – более 130 миллионов – глаз человека способен воспринимать около 5 миллионов цветовых оттенков.
5. Человек в среднем моргает каждые 10 секунд, время моргания 1-3 секунд. Можно подсчитать, что за 12 часов человек моргает 25 минут.
6. У человека угол обзора составляет 160 до 210°.
7. При работе за компьютером в течение дня глаза фокусируются с экрана на бумагу порядка двадцати тысяч раз.
8. Женщины моргают примерно в два раза чаще, чем мужчины.
9. В отличие от большинства животных, у человека три базовых воспринимаемых цвета – красный, синий и зеленый, смешивая которые, получаются все цвета, видимые глазом.
10. Принято считать, что дальтонизм – сугубо мужская «участь». В той или иной мере им страдают порядка 8% мужчин и всего лишь 1% женщин.
11. У человека 150 ресниц на верхнем и нижнем веке.
12. Чихнуть с открытыми глазами невозможно.

1. Глаза привыкают к темноте за 60-80 минут. Побыв в темноте порядка минуты, чувствительность к свету возрастает в 10 раз, а уже через 20 минут – в 6 тысяч раз. Именно поэтому, выйдя на свет, после нахождения в темном помещении, мы всегда чувствуем сильный дискомфорт.

Литература:

1. Я.И. Перельман. Занимательная физика. Москва, 1994 г. АО «Столетие»
2. С. В. Громов. Физика. М. Просвещение, 2000 г.
3. А.В. Перышкин, В.П. Чемякин «Факультативный курс физики» М. Просвещение 1975 г
4. Ресурсы интернета.